9distributedfibersensor分布式光纤传感器

分布式光纤传感技术利用光波在光纤中的传输特性，可以沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、振动等）。光纤即是传感介质，又是被测量的传输介质。优点：1、可再很大的空间范围内连续的进行传感。2、传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单使用方便。3、与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本降低，性价比高。分布式光纤传感技术分布式光纤传感器的基本原理系统特征参量空间分辨率传感距离被测量分辨率传感时间分类线性过程非线性过程•光纤中的光散射ν0瑞利散射拉曼散射光纤中的散射主要包括折射率不均匀引起的瑞利散射、光频声子引起的拉曼散射和声频声子引起的布里渊散射。ν0+11GHzν0-10GHzν0+13THzν0-13THz布里渊散射光时域反射技术•基于瑞利散射的分布式光纤传感技术（OTDR）单脉冲光纤损耗测量基本原理zvzSPzPgR2exp210P：瑞利散射光功率τ：脉冲宽度S=0.25NA/nNA：光纤数值孔径n：光纤折射率αR：瑞利散射因子vg：群速度α：光纤损耗z：被测位置EOM基本原理VVIIinout2sin2AOM基本原理OTDR系统示意图定位原理空间分辨率与脉冲宽度有关与探测器带宽有关探测时间fncx212detncxpul2cnLNT2det,maxxxxpul光信号在光纤中的传输时间信号处理时间功率距离噪声空间分辨率高传感距离大传感光纤被测点abcd空间分辨率传感距离探测脉冲编码技术实验结果比较采用相干探测技术的OTDR（COTDR）特点：1、降低EDFA引入的ASE噪声2、采用窄线宽激光器，可使探测波长远离通信信道3、探测器动态范围大COTDR测量过程相干瑞利噪声（CRN）线宽为Δν的光源相干长度偏振OTDR（POTDR）•POTDR测量的是脉冲光在光纤沿线产生的瑞利散射光的偏振态沿光纤长度上的变化。光纤中的双折射2()/xyxynn双折射通常定义为单模光纤中两个相互正交的偏振基模沿光纤轴向传播常数差光纤中产生双折射的原因：残余应力、线芯不均匀，弯曲，扭曲，外加电场，磁场等POTDR传感原理由于光纤的双折射易受多种因素的影响，且对影响十分敏感。光纤中光波的偏振态在外界影响下会缓慢变化。通常POTDR系统在对光纤外部扰动事件进行测量时，多采取短时间内反复测量并进行对比的方式来对外界影响进行检验。POTDR逐点频谱分析法01020304050-90-80-70-60-50-40Frequency(Hz)Magnitude(dB)01020304050-90-80-70-60-50-40Frequency(Hz)Magnitude(dB)01020304050-90-80-70-60-50-40Frequency(Hz)Magnitude(dB)0200400600800100000.020.040.060.080.10.12Location(m)Voltage(V)(a)(b)(c)(d)Nopeakpeak@37Hzpeak@25Hz;37Hz基于拉曼散射的OTDR（ROTDR）自发拉曼斯托克斯和反斯托克斯光光强比：波珥曼常数：普朗常数T：温度ωM：拉曼散射频移ROTDR功率误差补偿方法λszL-zλas双端喇曼散射法波长为λ的光在光纤中传输距离z的强度衰减函数几何平均双光源法断面反射法•布里渊谱与温度和应力的关系Powerω0ω0+ΔωΔωB00220,4BBggFrequencyg00.5g0TCTC基于布里渊散射的分布式传感器布里渊光时域反射技术(BOTDR)布里渊光时域分析技术(BOTDA)信号处理光源传感光纤自发布里渊散射信号处理光源光源ω0ω0+Δω连续光传感光纤单端接入断点定位信噪比较差双端接入信噪比较高不能测断纤BOTDR实验原理图DFBLaserEOMPC1EDFAFBG1C150/50BiascontrolPatterngeneratorPSFiberundertestOpticaloscilloscop99/199/1FBG2EOMBiasMicrowavegeneratorBalanceddetectorDAQTriggerout50/50C2C3PC2ComputerEDFABPFLOLPFAmplifierffPtPf实验结果（BOTDR）~7kmSMF28~4kmDSF~20kmSMF28~120mstressedsection布里渊频移：SMF28：10.87GHzDSF：10.72GHzStressedDSF：10.77GHz布里渊频谱分布图BOTDA实验系统DFBLaserPC1EOMMicrowaveGeneratorBiasFBGIsolatorEDFAFBGPC2EOMBiascontrolFiberundertestPulsemornitorPatterngenratorPulsemornitorPSPDDAQComputerTriggerout70/3099/199/199/1sampledetector,,2maxfncfncncz142BffSNRn：光纤折射率c：光在真空中的光速τ：探测脉冲宽度Δfdetector：探测器带宽Δfsample：采样频率ΔfB：布里渊谱宽SNR：信噪比SNRL传感距离空间分辨率频率测量精度-100-500501000.00.20.40.60.81.01.21.4NormalizedintensityNormalizedfrequency10ns20ns40ns70ns110nsLorenzshapedfffPggBBmeasured0,,gB(ν,νB)：布里渊特征谱P(f,f0)：与脉冲功率谱空间分辨率频率测量精度上海长江隧桥工程中电缆火灾预警分布式光纤传感技术应用上海世博会的110kv超高压蒙自地下变电站温度检测BOTDR管道弯曲监测混凝土塌陷现场海底光缆定位现场